风电场接地设计探讨

石 巍，王秋红

(中南电力设计院，湖北 武汉 430071)

近几年，随着国际能源的匮乏和各国对低碳经济的倡导，世界上掀起了一股新能源的浪潮，我国的新能源事业也正迅速发展，风力发电进入了新的阶段。截止2009年6月底，我国风电并网装机1181万kW，风力发电达到126亿kWh。

目前我国北方的风电场主要集中在新疆、内蒙古、河北和东北地区的高原和戈壁地区，南方的风电场主要集中在丘陵和山区。将来沿海和海上风电场将是发展的主要方向。

由于风电场所处的位置风资源比较好，相对也比较空旷，因此遭受雷击的概率也比较高。对于风力发电机组本身的防雷，各个制造厂家都有典型和成熟的设计方案，而我们需要解决的主要问题就是风力发电机组的接地。

1 对风电场风力发电机组接地电阻的要求

风力发电机组的接地应该分为工作接地和防雷接地。这两个接地的接地电阻是不一样的。根据《交流电气装置的接地》(DL/T621-1997)的规定，对于风力发电机组的工作接地应不大于4 Ω。对于防雷接地电阻在土壤电阻率不大于500Ω.m的地区不应大于10Ω；在高土壤电阻率的地区，允许接地电阻大于10Ω，但要满足空中距离和地中距离的要求。由于风力发电机组仅有一个共用的接地装置，接地电阻应符合其中最小值。因此，按《交流电气装置的接地》(DL/T621-1997)的规定，通常机组接地电阻取值为小于4Ω。

目前国内运行的风力发电机组对接地电阻的要求不太一致，见表1。

表1 国内运行的风力发电机组对接地电阻的要求

以上各个风机制造厂给出的就是风机的工作接地电阻，而不是防雷接地电阻要求值。根据IEC TR61400-24 风力发电机系统 防雷保护篇章中9.1.2条规定风机的防雷接地电阻在小于10Ω时就可以不考虑外引接地线。这就说明风机的防雷接地电阻只要小于10Ω就可以了。

同时，中国船级社《风力发电机组规范》中规定：为了将雷电流流散入大地而不会产生危险的过电压，应注意接地装置的形状和尺寸设计，并应有低的接地电阻，其工频接地电阻一般应小于4Ω，在土壤电阻率很大的地方可放宽到10Ω以下。

因此，我们应该明确风机的工作接地电阻应该不大于4Ω，防雷接地电阻在低土壤电阻率(≤500Ω.m)地区应该不大于10Ω。

2 工频接地电阻和冲击接地电阻的区别

我们通常所说的接地电阻都是对于工频电流而言，也就是工频接地电阻。当接地装置通过雷电流时，由于雷电流有强烈的冲击性，接地电阻发生很大变化，为了区别起见，这时的接地电阻称为冲击接地电阻。

我们所测量的接地电阻值，是在低频、电流密度不大的情况下测得的，或是用稳态公式计算得出的电阻值。但在雷击时，雷电流是非常强大的冲击波，其幅值往往达到几万甚至几十万安。由于流过接地装置电流密度的增大，以致土壤中的气隙、接地体与土壤间的气层等处发生火花放电现象，土壤电阻系数变小，并且土壤与接地体间的接触面积增大，结果相当于加大接地体尺寸，降低冲击电阻值。这在冲击接地电阻计算公式也可以看出。冲击接地电阻计算公式如下：

式中：α为冲击系数；R为工频接地电阻；Ri为冲击接地电阻。

α一般小于1，所以冲击接地电阻一般小于工频接地电阻，故工频接地电阻小于10Ω，则冲击接地电阻就小于10Ω。

由于接地体自身的电感阻碍电流向远端流动，使得接地体得不到充分利用，地网导体上的电位分布很不均匀，离冲击电流注入点越远的地方，接地体上的电位就越低，甚至为零。因此，地网在冲击电流的作用下，只有电流注入附近一小块范围内的导体起到散流作用，无论地网有多大，对应冲击电流其有效面积却是一定的，有效面积之外的导体并不能起到泄放雷电流的作用。根据《交流电气装置的接地》的要求，见表2。

表2 放射性接地极的有效长度

这在IEC TR61400-24 风力发电机系统 防雷保护篇章中也有说明。

3 按要求设计接地电阻

在明确了风机的工作接地电阻和防雷接地电阻后，我们就可以按规定设计风机的接地网。我国风电场风机的接地网基本都为围绕风机基础做环形水平接地网，在水平接地网上加垂直接地极。由于不同工程的地质条件不同，各个风机布机处的土壤电阻率也大不相同，低的几十欧.米，高的达到几千欧.米。因此风机的接地电阻差别很大，所达到的效果也不相同。下面我们分几种情况来讨论：

⑴ 风机所在位置的土壤电阻率较低，可以满足较小的接地网就可以做到接地电阻小于4Ω。

工作接地和防雷接地的接地电阻都可以满足条件。

⑵ 风机所在位置的土壤电阻率较高，单台机组接地网的接地电阻可以满足小于10Ω，但不能满足接地电阻小于4Ω。

按照规程的要求，工作接地电阻是必须要小于4Ω，我们在工程中采取的方案有两个，一是把风电场局部区域的若干台风机的接地网连接起来，以保证接地电阻小于4Ω。实际是就是扩大了接地网，以减小接地电阻。由于风机之间的间距一般在几百米的范围之内，风机接地网通过两根水平接地干线互相可靠连接起来，到达接地电阻小于 4Ω是可行的。二是外引接地极或外接接地网，以保证接地电阻小于4Ω。采用放射状外引接地极以扩大接地面积并向外引到土壤电阻率较低的位置。在山区也可以采取在山脚下或半山腰土壤电阻率低的位置设置接地网，再与风机接地网连接。这样做到接地电阻小于 4Ω也是可行的。这两个方案在具体的工程施工中可以联合使用。

由于单台机组接地网满足工频接地电阻小于10Ω，冲击电阻小于工频电阻，所以，防雷接地电阻小于10Ω满足条件。

⑶ 风机所在位置的土壤电阻率很高，单台机组接地网的接地电阻不能满足小于10Ω。

按照规程的要求，工作接地电阻是必须要小于4Ω，因此我们可以按照(2)的方案一把风电场局部区域的若干台风机的接地网连接起来扩大地网，以保证接地电阻小于4Ω。只是由于土壤电阻率很高，需要连接的风机数量会增加一些。也可以按照(2)的方案二外引接地极或外接接地网，以保证工频接地电阻小于4Ω。

如前2所述，地网在冲击电流的作用下，只有电流注入附近一小块范围内的导体起到散流作用，无论地网有多大，对应冲击电流其有效面积却是一定的，有效面积之外的导体并不能起到泄放雷电流的作用。由于土壤电阻率很高，单台接地机组接地电阻在有效面积内的接地电阻达不到小于10Ω，此时可以采取的有效措施主要是换土，降低土壤电阻率或者采用深井接地等措施。同时应当与风机厂家协商，对风机采取一些防护措施加强内部设备安全性，例如加强内部设备屏蔽、采用隔离变压器等等。

4 结论

风电场风机接地可以按照以下原则设计：

⑴ 风机的工作接地电阻应该不大于4Ω，防雷接地电阻在低土壤电阻率(≤500Ω.m)地区应该不大于10Ω，高土壤电阻率(＞500Ω.m)地区采取措施仍然不能满足小于10Ω，此种情况需要采取相应的特别，例如换土或深井接地，同时加强风机内部设备的防雷屏蔽措施。

⑵ 风机的外引接地极或外接接地网如果只是考核工频接地电阻，没有距离的要求，但如果是考核冲击接地电阻，应该按照规程设计外引导体的长度。

⑶ 不建议采用降阻剂等方案，根据以往的工程经验，化学性的降阻剂对接地材料和设备基础的腐蚀比较严重，而物理性的降阻剂使用效果不明显。故不建议采用降阻剂方案。

对于海边、滩涂和盐碱地区的风电场我们还应该考虑机组接地网和机组基础的防腐蚀措施。

[1]DL/T621-1997，交流电气装置的接地[S].

[2]DL/T620-1997，交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].

[3]IEC TR61400-24，Wind turbine generator systems-Part 24：Lightning protection[S].